汽車電氣系統中電子功率開關的應用

趙碩 李耀飛

摘要：科技不斷的提升著汽車的質量和性能，汽車本身所帶的功能也越來越齊全，這些功能的出現帶給了消費者很多便捷，也不斷地豐富著汽車電氣系統，這些功能的普及也得力于電氣系統中電子功率開關的應用。

關鍵詞：汽車；電氣系統；電子功率開關

1.汽車電路與電氣系統的基本組成

汽車整車電器設備包括滿足車輛運行的基本設備和為了提高車輛安全性、舒適性而增加的一些電子控制系統組成。其主要的電氣設備包含有：電源系統、起動系統、點火系統、照明信號與警告系統、儀表系統以及其他輔助電器。電子控制系統包含有：電子控制燃油噴射系統（EFI-Electronic Fuel Injection）、電控自動變速器（AT-Automatic Transmission/ Transaxle）、電控懸架系統（Electronic suspension system）、電動轉向系統（EPS- Electronic Power Steering）、制動防抱死系統（ABS-Anti-lock Brake System）、輔助乘員保護系統（SRS-Supplemental Restraint System（安全氣囊）、自動空調（A/C-Air Condition）。

汽車的種類很多，但其電器電路的設計一般都遵循一定的規律。汽車電路結構，工作過程和故障性質等方面具有共同特點，汽車電氣系統的電路特點如下：

其一是所有的汽車電路結構都采用低壓供電的單線制接入方式，目前汽車所用的蓄電池電源一般是直流電源，其通用的電壓通常為12福特，汽車上所有用電設備是并聯的，汽車發動機、底盤等金屬機體，作為各種電器的公用電路，由用電器到電源只需一條導線。

其二是用電設備的并聯狀態，汽車上所有的電氣設備都各自串聯在支路中，與電源并聯，并且各支路由單獨的開關控制，互相獨立，互不干擾。

其三體現在汽車電路的保護裝置上，根據相關規定，汽車電氣設備都必須負極接鐵，并安裝了保護裝置，一般串接在元器件回路中。

2.電子功率開關的應用特點

電子功率開關在汽車電氣系統的應用特點有：

2.1可監控汽車外部環境的信息燈，如前車后尾燈、方向燈、動向燈等；

2.2對減輕交流電力、發動機之外的負荷量，可組裝各式各樣的零件設備，如電子功率內部設備等；

2.3根據汽車實際需求進行調控。

3.汽車電氣開關的作用與分類

開關是汽車電氣系統中不可缺少的重要部件。開關的作用主要是用來控制汽車的各種電氣設備。開關的性能必須安全、可靠、耐用且便于操縱。開關的種類及結構形式種類繁多，分類方法目前不太統一，若按照操縱方式可分為手動和電動兩類；若按開關的功能特點可分為純機械多功能手動開關或手、腳、電間接混合控制開關。近年來，汽車采用的電氣開關多為多功能手、腳、電混合控制開關。開關的種類雖然很多，但對開關使用性能的要求一致的，即開關必須具有如下共同的性能。

3.1汽車電氣開關必須安全可靠開關是否安全可靠對正常工作來說是至關重要的。比如，在操縱開關過程中，不應有對人產生任何傷害的可能性；還應保證不發生由誤操作或因開關可靠性而導致的對汽車電氣設備的破壞。同時開關本身應具有一定的抗過載能力，以提高開關的使用壽命及可靠性。

3.2汽車電氣開關的操縱性開關必須便于駕乘人員操縱，且有一定的機械強度。比如，由駕駛員操縱的開關必須安裝在與駕駛員雙手或雙腳便于操作的地方：必須由乘車人員來操縱的開關，要求便于乘車人員操縱，還要有特殊標記，以提示乘車人員操作方法，以避免誤操作。

4.電子功率開關在汽車系統的應用

感應加熱電源技術通過晶閘管、功率晶體管、功率場效應管和絕緣柵雙極型晶體管等電力電子功率開關器件，將供電網絡50Hz的工頻電源變換成400Hz～200kHz的中高頻電源。由于它具有靈活的控制方式、輸出功率大、機組效率高、變換運行頻率方便等優點，在工業生產中得到了廣泛的應用。電力電子功率開關器件是感應加熱電源技術的基礎，是感應加熱電源裝置的心臟。感應加熱電源裝置的主功率開關器件決定著系統裝置的體積、重量、效率、控制方式、工作性能和系統可靠性。每當一種新型功率開關器件的研發成功，都會促使誕生新一代的感應加熱電源裝置。

常用的電力電子功率開關器件有單向晶閘管、可關斷晶閘管、大功率晶體管、功率場效應管、絕緣柵雙極型晶體管等，每種功率開關器件又根據不同的工作參數和用途，分成多種系列和不同型號規格的產品；在實際應用中，應根據產品的極限參數、工作參數、性能特點、控制方式及附加電路的繁簡，經綜合考量后確定所選器件的型號規格。新興的電力半導體模塊是把兩個或兩個以上的電力電子功率開關器件的芯片按一定的電路連接，與輔助電路共同封裝在一個絕緣樹脂外殼內制成。由于功率開關器件的模塊化，使各種電力電子裝置的效率、體積、重量、性能、可靠性和價格等技術指標和經濟指標得到進一步改善和提高，因此當前晶閘管模塊、大功率晶體管模塊、功率場效應管模塊、絕緣柵雙極型晶體管模塊得到蓬勃發展和廣泛應用。在晶閘管模塊的基礎上，將晶閘管移相觸發電路與保護取樣傳感器電路共同封裝為一體，制成了晶閘管集成智能模塊（ITPM），從而使電力電子裝置的體積進一步縮小，可靠性進一步提高，安裝維修更加方便，使用操作更加簡單。國內臨淄銀河公司已研發出大電流全控型整流逆變、交流電動機軟啟動、雙閉環直流電動機調速等專用晶閘管智能模塊。在絕緣柵雙極型晶體管模塊的基礎上，把絕緣柵雙極型晶體管芯片、快速二極管芯片、控制和驅動電路、過壓、過流、過熱和欠壓保護電路及自診斷電路等封裝為一體，制成絕緣柵雙極型晶體管智能控制模塊（IPM）。它為電力電子逆變器高頻化、小型化、高性能和高可靠性奠定了器件基礎。

絕緣柵雙極型晶體管智能控制模塊采用標準化的邏輯電平柵控接口，使與控制、顯示、操作板的連接更為方便。絕緣柵雙極型晶體管智能控制模塊的顯著優點是故障狀態下的自我保護能力強。因而降低了功率開關器件的損壞幾率，大大提高了整機的穩定性和可靠性，減少了維修工作量，增加了無故障工作時間。為了適應微機控制和大容量工業電力變流裝置和電動機驅動的要求，在絕緣柵雙極型晶體管智能控制模塊的基礎上把變流裝置的全部硬件集成在同一芯片上，開發出高集成化、智能化、標準化、適合各種不同應用要求的用戶專用功率模塊（ASPM），如絕緣柵雙極型晶體管逆變專用功率模塊就是把逆變裝置的整流器、逆變器的絕緣柵雙極型晶體管和FWD、制動絕緣柵雙極型晶體管及快速二極管集成在一個芯片上，不再用額外的引線連接，因而體積小、重量輕、系統成本低、寄生電感小、可靠性更高。

參考文獻：

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[2]陳春，王友龍.電子功率開關在汽車電氣系統中的應用[J].汽車電器，2010（08）.